[논문]BGA 검사 소켓 핀의 불량 분석 연구

김명식; 배규식

doi:10.3740/mrsk.2008.18.9.497

BGA 검사 소켓 핀의 불량 분석 연구
Failure Analysis of BGA Test Socket Pins 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.18 no.9, 2008년, pp.497 - 502

김명식 (수원대학교 전자재료공학과) , 배규식 (수원대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

BGA test sockets failed earlier than the expected life-time due to abnormal signal delay, shown especially at the low temperature ($-50^{\circ}C$). Analysis of failed sockets was conducted by EDX, AES, and XRD. A SnO layer contaminated with C was found to form on the surface of socket pins. The formation of SnO layer was attributed to the repeated Sn transfer from BGA balls to pin surface and instant oxidation of fresh Sn. As a result, contact resistance increased, inducing signal delay. Abnormal signal delay at the low temperature was attributed to the increasing resistivity of Sn oxide with decreasing temperature, as manifested by the resistance measurement of $SnO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그런데, 소켓 핀에서 나타나는 이러한 문제점의 원인에 대해서는 아직까지 문헌으로 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 소켓 제조업체에서 제공한 불량핀을 분석하고 모의실험을 통하여 결함의 생성 원인과 기제를 규명하고자 하였다.

제안 방법

그리고, 일단 표면에 자연산화막으로 형성되면 산소의 Sn 내로의 확산속도가 매우 낮기 때문에 더 이상의 산화는 매우 느리게 진행된다.^8,9) 소켓 핀의 경우에도 Sn이 전이하여 산화되는 과정이 반복되는 데, 이를 모의실험 하고자 가능한 한 얇게 Sn을 증착하고 산소분위기에서 열처리한 후 AES로 깊이에 따른 조성분석을 하였다. Fig.
^10~12) 반면 SnO₂의 저온에서의 특성과 SnO의 물성은 비교적 알려진 것이 없다. 그런데, 소켓 핀의 불량현상은 저온에서현저하므로 SnO₂의 저온에서의 온도에 따른 저항 변화를 델타 챔버를 이용하여 측정하였다. Fig.
소켓 제조업체로부터 제공받은 사용 전의 핀과 높은 저항을 나타낸 불량 핀의 표면을 별도의 전처리 없이 SEM(Scanning Electron Microscopy)으로 관찰하고 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 성분 분석을 하였으며, 표면 생성물의 화학 구조는 XRD (X-Ray Diffractometry)로 분석하였다. 또한 핀 표면의 깊이에 따른 화학 조성의 변화는 AES (Auger Electron Microscopy)에 의해 분석하였다. 한편, 고온과 저온에서 핀과 접촉하는 솔더 볼의 경도 차이를 알아보기 위하여 막대형 Sn-3.
또한, Sn 박막의 산화속도를 확인하기 위하여 Si 기판위에 Sn을 DC 스퍼터로 5~20 nm 증착한 후 5× 102 Torr O2 분위기에서 200°C 3시간 산화 열처리한 후 깊이에 따른 조성을 AES로 분석하였다.
또한, 핀 표면에 생성되는 부착물로 추측되는 Sn 산화물의 온도에 따른 저항 변화를 알아보기위하여 SnO2 나노 분말(입자크기 20 nm)을 1톤의 하중으로 압축하고 800°C에서 3시간 소결하여 성형한 후 은전극을 도포하여 만든 원통형의 시편을 델타 챔버에 넣어 −20~80°C 범위에서 저항을 측정하였다.
소켓 제조업체로부터 제공받은 사용 전의 핀과 높은 저항을 나타낸 불량 핀의 표면을 별도의 전처리 없이 SEM(Scanning Electron Microscopy)으로 관찰하고 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 성분 분석을 하였으며, 표면 생성물의 화학 구조는 XRD (X-Ray Diffractometry)로 분석하였다. 또한 핀 표면의 깊이에 따른 화학 조성의 변화는 AES (Auger Electron Microscopy)에 의해 분석하였다.
이 Sn 산화물 층의 두께는 스퍼터 시간으로부터 환산하면 약 50 nm로 추정된다. 이 AES 결과로부터 확인된 Sn-O 층의 정확한 조성과 결정상을 확인하기 위하여 XRD 분석을 하였다(Fig. 4). 가장 큰 피크를 나타낸 상은 SnO이었으며 SnO₂상도 부가적으로 나타났다.
핀에 부착된 생성물의 깊이에 따른 조성을 확인하기 위하여 핀의 접촉 부위에 대해 AES 분석을 하였다(Fig. 3). Fig.
한편, 고온과 저온에서 핀과 접촉하는 솔더 볼의 경도 차이를 알아보기 위하여 막대형 Sn-3.0Ag-0.7Cu 솔더를 같은 크기로 절단하여 5~80°C 범위에서 비커스 경도계로 측정하였다.

성능/효과

저온(5°C)에 비해 고온(80°C)에서는 경도가 약 반 정도로 감소하였다. 따라서, 검사는 고온과 저온에서 반복되어 실시되지만 Sn의 전이와 산화는 고온검사 시 더 많이 발생하는 것을 의미한다. 그러나, 저항의 증가로 인한 불량 현상은 저온검사에서 우선적으로 발생하였다.
BGA 검사 소켓을 반복 사용할 때 저온검사 시 비정상적인 신호지연이 나타나는 불량 현상이 보고되었다. 소켓 제조업체에서 제공한 불량 소켓 핀의 표면을 EDX와 AES로 분석한 결과, Sn과 O가 균일한 조성으로 분포되어 있고 깊이에 따라 다른 함량의 C이 검출되었다. 이 핀 표면에 생성된 층을 XRD로 분석한 결과 주된 결정상은 SnO이었으며 두께는 약 50 nm이었다.
특히, Sn-3.0Ag-0.7Cu 무연솔더의 경도가 저온(5°C)에 비해 고온(80°C)에서 약 반 정도로 나타나 고온에서의 Sn 전이와 산화가 더 현저할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 소자의 검사 시 외부 단자와 직접 접촉하는 것은 무엇인가?	검사는 기본적으로 검사장비의 로드보드(Load Board)에 장착된 소켓(Socket)을 실장된 소자와 접촉시켜 전기적 특성을 평가하는 것이다. 이때 반도체 소자의 외부단자와 직접 접촉하는 것은 검사 소켓에 돌출되어 있는 스프링(Spring or Pogo) 형태의 핀(Pin)으로서 보통 Be/Cu 재질의 몸체에 표면을 Au/Ni 도금한 형태이다.1,2) 이때, Au (0.
	반도체 소자 제작 공정 중 검사 단계의 온도 조건은 무엇인가?	한편, 최근에 많은 반도체 소자의 실장은 BGA (Ball Grid Array) 형3)으로 만들어지며, 이때 Sn계 무연 솔더 범프가 단자의 외부에 형성되어 있어 검사 시 핀과 직접 접촉하게 된다. 검사는 보통 상온 또는 고온(85~120°C), 그리고 저온(−5~ −40°C)에서 각각 한차례 실시한다.
	반도체 소자의 제작은 어떤 공정을 포함하는가?	반도체 소자는 회로설계, 마스크 제작 등의 사전 공정, 웨이퍼 표면에 전자부품과 회로를 구성하는 가공(Fabrication)공정, 웨이퍼 상의 칩을 개개로 잘라서 실장(Packaging)하는 과정을 거쳐 최종적으로 검사(Test)를 통과하면 완제품으로 만들어진다. 검사는 기본적으로 검사장비의 로드보드(Load Board)에 장착된 소켓(Socket)을 실장된 소자와 접촉시켜 전기적 특성을 평가하는 것이다.

참고문헌 (12)

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J. K. Choi, P. S. Cho and J. J. Lee, J. Mater. Res., 18(4), 193 (2008)

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